0 引 言
在城市化进程中，地表不透水比例升高[1]，阻碍了雨水的自然入渗，在降雨期间易产生大量地表径流。城市基础设施的不完善、排水能力的不足易使城市中出现严重的内涝。城市路面、广场等下垫面上的沉积物在降雨过程中随着径流冲刷进入排水管网及受纳河流，造成了水环境污染[2，3]。
在城市降雨径流管理中，基于自然系统功能和面向低影响开发的最佳管理措施(LID-BMPs)正在成为城市降雨径流管理的首选策略，它们可以减少集水区产生的外排径流量、拦截沉积物、减缓径流速率、促进水的渗透和蒸散，可以更好地恢复开发前自然的水文循环及减少水质污染。发达国家对降雨径流控制的研究开始较早，提出了一系列基于自然功能充分发挥的设计和工程实践理念[4]，并通过源头、输移、末端的一些工程或非工程的措施对雨水进行控制。中国正在积极推动海绵城市建设，旨在从系统上通过建设源头LID-BMPs设施以减少雨水污染，同时促进城市健康发展和经济增长[5]。
历史文化区由于建设年代久远，与其他城市功能区相比，其基础设施和排水系统通常不完善，同时由于其历史文化属性，对工程改造又有诸多限制，在多数情况下，不太可能对排水系统进行大规模工程化改造。如何利用历史文化区的自然本底特征，因势而为地制定降雨径流管理方案就成为决策者关注的焦点。而强调基于自然积存、自然渗透、自然净化的源头LID-BMPs技术为其提供了一种基于自然的降雨径流管理解决方案。
为评估降雨径流控制方案的效果，国内外学者利用SWMM、SUSTAIN等不同模型对很多对象开展了研究[6-10]。针对历史文化区的特征、规划和设计其降雨径流控制方案并开始定量评估的案例研究较少。基于此，本研究以清华大学历史文化积淀深厚的早期建筑大礼堂周边场地为例，开展基于LID-BMPs的历史文化区降雨径流管理方案设计，并进行定量模拟评估。
1 研究区域及场地现状分析
1.1 研究区概况
清华大学早期建筑区域为国家级文物保护单位，清华大礼堂为清华大学早期建筑区的核心地标性建筑，与图书馆、科学馆、体育馆一起构成清华早期的“四大建筑”，具有重要的历史意义。本研究选取清华大学大礼堂及周边区域约0.8 hm2为研究区(图1)。
图1 清华大学大礼堂及周边区域位置
Figure 1 Location of research site, the auditorium of Tsinghua University and its surrounding area
1.2 场地现状分析
场地内大礼堂位于高起的台地上，东西两侧为车行道，是大礼堂周围主要积水点；南侧为铺装广场和大草坪，铺装广场的积水主要集中在广场西侧紧邻台地部分的角落；北侧紧邻校河道，大礼堂北侧建筑屋顶的水主要通过排水沟排入校河内；场地西侧有高起的地形，与大礼堂西侧绿地相接，中间被道路切开，形成陡坎，雨水冲刷可将泥土带至车行道上。西侧山脚下的闻一多广场、周边车行道以及场地东北角的停车场均无良好的排水路径，现状积水较为严重，在山脚下形成大量积水。
研究区域内下垫面类型包括绿地、建筑、道路、停车场、广场等。除绿地外，其他土地利用类型皆为不透水面，研究区域总的不透水率约为70%。场地现状排水路径相对比较分散，没有完整的排水系统(图2)。建筑四角分布有8个落水管，建筑北侧广场有4条排水沟连接至北侧校河。大礼堂两侧道路上共设有3个雨水井，通过下水道连接至北侧校河。
2 降雨径流管理方案研究
图2 研究区域现状排水系统及排水路径
Figure 2 Present situation of drainage system and paths in research site
充分利用自然系统功能的LID-BMPs源头控制设施为海绵城市的核心内容，常用的LID-BMPs设施包括生物滞留设施(bioretention basin)、干塘(dry pond)、湿塘(wet pond)、雨水罐(rain barrel)、蓄水池(cistern)、下渗沟(infiltration trench)、植草沟(vegetative swale)、绿色屋顶(green roof)、透水铺装(porous pavement)和植被缓冲带(buffer strip)等，需要根据场地的自然和社会条件，重点考虑其古建筑及历史文化特征，选择适用的LID-BMPs设施，进行合理规划设计。
2.1 适用LID-BMPs设施筛选
根据项目场地现场的自然、社会条件筛选适用的LID-BMPs设施是规划设计的第1步。由于大礼堂为清华大学早期建筑，其景观格局与文化底蕴密切相关，不能随意改变。针对该项目场地的建筑形式和布局以及周边关联区域的布局特点，设计对象主要针对大礼堂区域的路面和绿地。本文选用城市降雨径流最佳管理措施筛选专家系统[11]进行LID-BMPs的筛选。设施的筛选标准有空间需求、污染负荷、汇流坡度、不透水率、地下水位距底部距离、道路缓冲距离、土壤类型、土地利用类型等，筛选得到的LID-BMPs设施按适宜度排序，供后续设计时参考(图3)。
图3 LID-BMPs设施筛选结果
Figure 3 The result of LID-BMPs selection
2.2 降雨径流管理方案设计
年径流总量控制率为海绵城市建设的一个重要控制目标，根据住房和城乡建设部发布的《海绵城市建设技术指南：低影响开发雨水系统构建(试行)》[12]，我国大陆被划分为5个区域，对应于不同的年径流总量控制率目标。其中北京市位于Ⅲ区，年径流控制率建议为75%～85%，本次设计中采取85%的年径流总量控制率作为控制目标，对应于1年一遇的1小时降雨量，设计降雨量为33.6 mm。
根据大礼堂周边区域的现状汇水条件，考虑其历史文化特征，针对大礼堂建筑、周边草坪、礼堂北广场、西侧闻一多广场等场地选择了相应的设施，设计得到方案总平面图见图4。
图4 设计方案总平面图
Figure 4 The layout of the planning scheme
在保证大礼堂整体景观风貌和景观风格的基础上，大礼堂周围草坡不改变整体的绿地草坡形式，在边缘设计了复层草沟，对本地的雨水径流进行滞缓和蓄存。
大礼堂建筑两侧分别利用现有绿地设计植草沟，将建筑南侧2个落水管雨水及周边绿地雨水导入南侧生物滞留带。生物滞留带位置为原有缓坡低势绿地，可调蓄雨水。设计在绿地下埋穿孔管及溢流管，将多余雨水径流导入北侧广场。
大礼堂背面的北侧广场位于大礼堂和万泉河(清华校河)之间，要承接大礼堂建筑屋面雨水，改造原有铺装为透水铺装，增加广场透水性。根据建筑落水管位置在广场设置排水沟，将雨水导入植物过滤池内。植物过滤池位于广场北侧，连接广场与雨水收集池。过滤池内设置溢流管和穿孔盲管接入雨水收集池内。植物过滤池的主要功能为初步过滤、净化屋面及广场雨水径流。雨水收集池位于校河南侧，下层铺设模块化雨水收集箱，可存储雨水。雨水收集池内设置雨水井，内设抽水泵坑，定期将收集雨水用作周边绿地喷灌。
大礼堂西侧的闻一多广场现状场地是用树池围起来的一个较封闭广场，铺装采用不透水材质，场地内积水严重。将场地设计成雨水花园的形式，雨水进入场地进行雨水净化过滤，再排入地下蓄水池。同时将闻一多雕塑设计在一个镜面水池内，在滞蓄雨水的同时形成光影效果。结合闻一多雕塑，设计地面下沉浮雕，突出广场特色。地面材质采用透水铺装，其效果如图5所示。
图5 闻一多广场设计
Figure 5 The layout design of Wen Yiduo Square
3 降雨径流管理方案模拟评估
在城市降雨径流控制的研究中，可使用SWMM、SUSTAIN等模型模拟区域在降雨事件中的产流和污染输移情况，模拟评估LID-BMPs等设施对降雨径流的控制效果[15]。
3.1 模型建立和参数设置
选用城市降雨径流控制的模拟与分析集成系统SUSTAIN进行场地现状与后续LID-BMPs设计方案的模拟。SUSTAIN(system for urban stormwater treatment and analysis integration，城市降雨径流控制的模拟与分析集成系统)是美国环保署(USEPA)于2009年发布的城市降雨径流管理的决策支持系统，可用于进行LID-BMPs的选址布局、效益分析、成本估算、方案优化等[13]。SUSTAIN中将LID-BMPs设施分为点状、线状、面状和集成式四大类，支持模拟生物滞留设施、干塘、湿塘、雨水罐、蓄水池等十余种LID-BMPs设施。
SUSTAIN采用ArcGIS作为基础平台，支持基本的数据管理、BMPs选址、各模块构件的连接，以及与外部模型数据的交互等。除了ArcGIS平台之外，SUSTAIN系统还包括5大功能模块：用地产流模块、BMPs模拟模块、径流输送模块、优化模块和后处理模块。
本研究基于清华大学大礼堂区域的地形图、土壤类型、土地利用等基础信息建立了SUSTAIN模型。模型下垫面类型设置为路面、屋面、绿地3类，模拟污染物设置为COD与SS，气象和降雨选用典型年2014年的实际监测数据,主要水文参数与水质参数基于前期相关研究选用[7，8, 14-16]，详见表1—3。
表1 SUSTAIN模型水文参数
Table 1 Hydrology parameters in SUSTAIN model
参数取值透水地表洼蓄量/mm12不透水地表洼蓄量/mm2透水地表曼宁系数0.01不透水地表曼宁系数0.002
表2 SUSTAIN模型污染物参数
Table 2 Pollutant sparameters in SUSTAIN model
污染物类型CODSS雨水中浓度/(mg/L)2010降解速率常数0.150.15清扫去除效率0.30.3
表3 SUSTAIN模型下垫面参数
Table 3 Underlying surface parameters in SUSTAIN model
下垫面类型路面屋面绿地路面屋面绿地最大累积量/(kg/hm2)150703025013050累积速率常数0.50.50.50.50.50.5半饱和时间/d444444冲刷系数0.0070.0060.0030.0080.0070.005冲刷指数0.40.60.41.61.71.4清洁效率/%70007000BMP效率/%00500050
设计的LID-BMPs设施可概化为蓄水池、雨水花园、透水铺装和植草沟4种。根据设计汇水路径，在SUSTAIN模型中进行LID-BMPs设施的设置与布局，各设施的布局、汇水路径以及传输路径示意如图6所示，包括在大礼堂周边布置5个植草沟(V1—V5)、3个透水铺装(P1—P3)、5个雨水花园(B1—B5)和4个蓄水池(C1—C4)；将4块大面积绿地以植草沟进行模拟。各设施的尺寸和规模按照场地条件以及相关参考文献中的案例[5-7, 17]、模型手册[13]与指南[12]确定。
图6 SUSTAIN模拟的LID-BMPs布局
Figure 6 The LID-BMPs layout simulated in SUSTAIN mode
模型选取南北2个最终收水的蓄水池C1和C4作为评价点，模拟其出流流量和COD、SS污染负荷。
3.2 模拟结果分析
针对研究区现状和LID-BMPs方案2种情景，按照北京1年一遇1 h降雨事件进行了效果模拟。模拟结果显示：现状情景下，大礼堂区域总体径流系数为0.71，即在北京1年一遇1 h设计降雨事件下，有71%的雨水转化为径流外排。而对于设计的LID-BMPs方案情景，在北京1年一遇1 h设计降雨条件下，南北2个蓄水池均无出流。2种情景下南北2个评价出水口在设计降雨条件下的出流过程见图7。可知：LID-BMPs方案设施可以满足对当地1年一遇1 h设计降雨完全控制的目标。
降雨； 
北出口(现状)； 
南出口(现状)； 
北出口(规划)； 
南出口(规划)。
图7 SUSTAIN模型模拟结果
Figure 7 The simulation result of SUSTAIN model
在设计场次降雨情况的效果评估基础上，为了进一步观察和评估LID-BMPs方案的长期表现和效能，选择北京市典型年2014年(降雨量552.4 mm)对研究区现状和LID-BMPs方案2种情景进行模拟分析和效果评估，模拟结果如图8所示。可以看出：LID-BMPs方案与现状情景相比，外排的年径流量相比减少了29%，COD和SS年负荷也分别削减了46%和27%，表明本文提出的基于大礼堂历史和自然特征的LID-BMPs降雨径流控制方案具有显著的径流水量控制和污染源控制效果。
现状情景； 
LID-BMPs方案。
图8 2014年2种情景的年径流量及污染负荷模型模拟结果
Figure 8 The simulation result of annual runoff and pollution load for two scenarios in 2014
3.3 方案成本分析
以住房和城乡建设部2014年发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》[12]给出的LID-BMPs设施的参考价格为基础，对本文LID-BMPs方案的工程造价进行了估算，成本参数及估算结果如表4所示。设计方案LID-BMPs设施总造价约为65万元；按投资额排序为透水铺装>蓄水池>雨水花园>植草沟；根据我国各地已经开展的LID-BMPs项目的实践，通过对不同类型设施的统计汇总，海绵城市建设估计投资为1.6亿～1.8亿元/km2[5]。与该成本相比，本设计方案尊重研究区历史文化景观格局，充分利用自然下垫面的潜力，避免了大规模的工程建设，投资成本较低，同时径流水量水质控制效果显著，具有经济合理性。
4 结 论
表4 规划方案造价分析
Table 4 Cost analysis of the planning scheme
LID-BMPs造价范围取值总造价百分比透水铺装60～200元/m2150元31.5万元48%蓄水池800～1200元/m31000元17万元26%雨水花园150～800元/m2600元14万元22%植草沟30～200元/m150元2.5万元4%合计65万元100%
1)本研究首先根据清华大学大礼堂建筑形式及周边区域的现状历史文化景观格局和自然特征，筛选了4种可与其景观格局融合的基于降雨径流源头自然控制的生态型LID-BMPs(蓄水池、雨水花园、透水铺装和植草沟)，并基于尊重历史文化景观格局的原则，设计LID-BMPs降雨径流控制空间布局方案，采用SUSTAIN模型对现状和LID-BMPs方案2种情景进行了模拟分析，证明LID-BMPs方案能够在设计降雨情况下达到海绵城市的年径流总量控制目标，并且在典型年中出现了显著的径流和污染削减。
2)LID-BMPs设施既可有效控制降雨径流，又可依托历史文化区自然的景观格局，充分发挥自然系统的自然积存、自然渗透、自然净化能力，不需要对现有排水系统进行大量工程施工，可在历史文化区的雨水管控中发挥重要作用。案例展示的LID-BMPs筛选、设计和分析评价的原则和方法等，具有一定的普适性，可为其他城市历史文化区降雨径流管理提供借鉴。
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